第二章 文獻探討
本章將藉由類比的相關文獻，作綜合性的探討。內容分別為：第一 節敘述類比學習的理論依據，第二節敘述類比教學的模式，第三節敘述 類比教學的效益及其限制，第四節敘述化學平衡的相關研究，第五節敘 述高中化學課程相關教材分析。
第一節 類比學習的理論依據
類比思考(analogical thinking)是人類的基本認知能力之一，我們常 在日常生活中運用類似的舊經驗，來解決所遇到的新問題。同時，類比 推理也可以用來獲得新知(Vosniadou & Ortony,1989 )、 說明科學概念 (Gentner, & Gentner,1983 )，因此類比推理已經成為近十幾年來熱門的研 究主題之ㄧ。類比的定義為兩個不同領域的知識系統，藉由彼此間某種 關係的相似性，由已知的系統推導到欲知的知識系統，從而獲得或理解 知識的過程(Duit,1991)。類比推理(analogy reasoning)常用於新的問題之 解決，它是人類智力的重要特質，教師常利用它來幫助學生建構抽象或 微觀的概念，經由類比遷移來學習新知識。
在使用上類比和隱喻（metaphor）、例子（example）和模型（model）
等常混合使用，類比和隱喻在語義上有共通之處，兩者是涉及不同知識 領域的相似關係，但是類比主要運用於邏輯推理的思維，似乎有更多解
釋性和預測性的目的；而隱喻則主要運用於更多表達上修辭，以表達個 人的情緒和情感（高淑芬,1997）。類比和例子的區分，若兩個不同領域 之間關係的對應稱為類比；若相同領域知識之內關係的對應則稱為例子
（example）（Treagust et al., 1992）。模型與類比之間的差異，類比強調 的是來源物和目標物分屬不同基模；而模型則否，例如：若以眼睛的實 物模型來解釋眼睛的運作，不是類比，但是若以照相機來解釋則歸為類 比，因為照相機與眼睛分屬不同的知識領域（郭人仲，1994）。
具於兩個知識系統由於對應情形不同，因此存在不同的相似性，區 分出不同的相似性，對於利用相似性和類比來學習是相當重要的
（Gentner, 1989）。依據知識系統具有的屬性與結構關係，以下表 2-1-1 說明各種相似性的差異，Duit（1991）亦認為將相似性分為各種類別可 以有助於科學教師在設計類比教材時，提供教師依循的典範。
表 2-1-1 相似性的種類（Gentner, 1983、1989）
相似性的種類 共有的屬性 共有的結構 關係
說明 舉例 完全相似性
(literal similarity)
多 多 屬性和結構
的相似性
X12 星系就像 太陽系
類比 (analogy)
少 多 不考慮屬
性，而是結構 的相似性
原子結構如 同太陽系 抽象化
(abstraction)
多 多 超出原有的
結構關係，而 衍生出新原 則
質量小的物 體繞著質量 大的物體旋 轉
純表面相似性 (mere
appearance)
多 少 僅考慮屬性
的表面相似 性
桌面上的玻 璃看似水一 般
隱喻
(metaphor)
少到多 少到多 屬性和結構 的相似性，會 涉及情感表 達
鐵石心腸的 人
反常的相似 (anomaly)
少 少 看不出相似
性的存在
咖啡就像太 陽系
而類比在學習歷程中扮演什麼樣的角色呢？以下就皮亞傑認知理 論、基模理論與建構主義的觀點來加以說明：
一、皮亞傑認知理論
智力功能的精髓在於適應(adaptation)，它具有兩層的特性，亦即不 斷在心智中進行同化(assimilation)和調適(accomodation)的兩個歷程，其 中調適係指已存在的心智基模無法像同化把外界的刺激或資訊容納到 現存的基模中，它必須針對外界環境的新資訊，加以修正而產生新基 模，這個新基模似乎要經由類比思考而建立。Zeitoun（1984）的類比 教學一般模式 GMAT(General Model Analogical Teaching)中提到類比 學習有(1)以先前存在的基模學習新事物；(2)若無適當的基模，則利用 類比物基模來產生新基模，這兩項類比學習非常相似於上述的同化和調 適兩個歷程。
二、基模理論( Schema Theory )
基模理論是有關類比研究中最常提到的心理學基礎。認知科學研究
者 Rumelhart 和 Norman 於 1981 年提出了基模理論，研究中指出所謂 基模，是以組織化形式儲存的知識，藉由這些組織化的知識單位，人們 可以理解、推理、與解題，基模是一種主動運作的歷程，例如當外界處 於一個不熟悉的環境中，面對外界的刺激時，會積極主動的運用先前知 識來解釋新的訊息。
Rumelheat 和 Norman (1981) 指出，若以基模理論為基礎，我們可 以將學習分為三類，第一類稱為添加(accretion)，也就是以現有的知識 當作基模，將新訊息予以編碼 (encode)，此時並沒有新的基模產生，很 顯然的這種學習似乎和皮亞傑(Piaget)所提到的同化過程(assimilation) 很類似。第二類稱為調和(tuning)或基模演進(schema evolution)，第三類 則稱為再結構(restructuring)或基模創建(schema creation)，其中後二者的 建立關鍵在於類比思考，即它將類比物的結構遷移到欲學習的事物上，
很明顯的這種學習過程和皮亞傑所提出的調適(accomodation)過程很相 似(Duit,1991)。因此類比推理在學習上的應用為學習者能在來源問題與 標的問題之間，找出具有潛在結構的關連，同時，將來源問題中所學得 的知識與關係原則，以對應的方式來解決標的問題。
一般而言，類比解決問題大約包含下列四個原則(黃幸美,1994)：
(1) 建立表徵：將來源與標的問題的訊息形成心理表徵。
(2) 注意並提取可用的線索：從來源問題的某些部分提取線索。
(3) 對應：在來源與標的問題之間，進行部份的應對。
(4) 學習與應用擴展對應所產生的解決方案。
Zeitone( 1984 )引述 Rumelheat 和 Norman (1981)的話指出，類比運 用了一個發展完善的基模當作來源領域(source domain)，並發展出新的 基模，而一個建立良好的基模對於新基模的產生及創造是相當有用的。
由此可知，基模理論對於類比學習提供了較佳的詮釋。
三、建構主義
建構主義主張外界的所有知識並不獨立於人的認識之外，而是人類 歷史與社會的共同建構。建構主義並不否認本體論意義下的客觀事實 ( reality )，但要透過人的認識才有意義，所以，建構主義認為學習不是 只有知識的移植與傳輸，而是個人基於原有的知識基礎上主動建構的過 程。知識雖然是個人主動建構，但個人是社會的組成份子，個人建構的 意義必須與整個社會的脈絡相容，如此建構的結果才有其適存性(劉宏 文&張惠博,1997)。
Wheatley（1991）將建構主義整理成兩大原理：
1. 知識不是被動接受的，而是認知主體的主動建構。
2. 認知的功能在調適及重組經驗世界，而不是去發現本體的實有。
Duit(1991)以建構主義的觀點指出，學習是一種主動建構的過程，
而且必須以先備知識為基礎，經過新、舊知識的連結，如此新概念才能 被接受，有意義的學習也才能發生。所以學習歷程並不只是概念的擴大 而已，事實上既有知識、概念也會發生新的建構，其中由於類比能幫助 再建構現存記憶，並以此作為接受訊息的準備，故在概念改變的學習與
新概念的學習上，類比扮演了舉足輕重的角色( Middleton，1991；
Brown，1992；Clement，1986；Clement，1989)。因此教學上應重視學 生的舊知識，使學生確實了解新、舊知識之間訊息的關聯性，達到舉一 反三與觸類旁通應用知識的能力，而不只是背誦條列式的科學知識。
第二節 類比教學的模式
近年來，類比學習的技巧已被認為是發展科學課程與改進科學教育 的一種有效的學習方式，成功的類比教學能避免學生背誦一些片段的知 識，幫助學生有效理解新概念，建構ㄧ般化的原則，以作為解決新問題 的有效手段。
Osborne 與 Freyberg（1985）也指出類比是一種除了實驗和示範外，
可以增進概念改變中合乎解釋的理解性和合理性的教學策略（Dagher, 1994）。以下回顧文獻中七種類比教學模式，可提供研究在設計類比教 材和教學呈現上之參考依據。
一、GMAT
Zeitoun（1984）根據基模理論為基礎，從考慮學生的能力、類比 的適當性和呈現方式，最後評估類比並加以修正，提出完整的類比教學 模式（The General Model of Analogy Teaching, GMAT），其教學步驟如 表 2-2-1。
表 2-2-1 GMAT 類比教學步驟
步 驟 內 容 1.測量與類比教學相關的能
力。
1.類比推理能力。
2.認知發展程度。
3.處理視覺心像（visual imagery）能力。
4.認知複雜性（cognitive complexity）。
2.評估學生欲學習內容的先 備知識。
1.使用問卷、晤談或成就測驗的方式進行。
3.分析欲學習事物的內容。 檢視與學習的內容是否建立在類比上。
4.判斷類比的適當性。 1 檢視是否容易使用或熟悉。.
2.考慮其複雜度；優先考慮高複雜度者（利 用屬性檢視表）。
5.決定類比的特性。 1 具體的程度（實物、圖片或語文說明）。.
2.使用的類比數目（單一或多重類比）。
3.呈現的方式（單獨或混合使用）。
6.選擇教學策略和類比呈現 的媒體。
1.教學策略（學生自發性類比策略、引導 式教學策略、說明式教學策略）。
2.呈現類比物的媒體（板書、口頭說明、
示範、角色扮演、遊戲、模型、圖片、照 片等）。
7.呈現類比物給學生。 1.學生若類比物不熟悉，應給一個簡單的 說明（包括對類比的定義和使用類比的說 法）。
2.呈現的順序：
a.呈現欲學習的新事物。
b.若學生對類比物熟悉，則可立刻呈現 給學生（否則必須教到學生熟悉為止）。
c.呈現連結類比物和新事物的敘述。
d.提出類比屬性（尤其是明顯可觀察或 重要的屬性）。
e.呈現類比遷移的敘述，轉移學生的注 意力。
f.提出不相關屬性，改正學生可能產生 的另有概念。
8.評估類比的成效 1.檢視學生是否利用類比來學習新事物。
2.評估學生對於欲學習的內容的知識。
3.確認是否因使用類比而造成學生的另有 概念。
9.修正模式的步驟。 尤其第七步驟所得到的回饋。
二、TWA
Glynn（1991）則以建構主義為基礎，提出另一套類比教學模式（The Teaching With Analogies Model, TWA），其主要的教學步驟如下：
1.介紹欲學習的概念。
2.喚起類比物概念。
3.辨認類比物的特質。
4.對應相似性。
5.引出學習概念的結論。
6.明示無法類比之處。
毫無疑問，這個模式對於類比教學有很大的貢獻。值得一提的是，
在使用 TWA 模式的類比過程，必須要找出能代表類比物與欲學習概念 相同性質的上級概念（superordinate concept），例如「水的循環」與「電 路」的相同性質為它們皆是一種「迴路」，以這種啟發式的教學，較能 促進學生學習概念的應用。此外要強調的，在進行步驟二到步驟五的教 學時，必須要確定學生都明白教師所使用的類比物，亦即學生都能看出 老師心中所認為的概念間之對應關係。
(1)Harrison 與 Treagust TWA（1993）以輪子類比教十年級學生有 關光在不同介質中發生的折射現象；
(2)Venville 等人（1994）教九年級學生，利用書櫃類比來解釋原 子結構。
(3)Harrison（1993）教八年級學生，利用以骨牌效應來模擬熱傳
導，與釋熱的絕緣體和良導體。
(4)Harrison 與 Treagust（1994）教九年級學生，利用聯結火車玩 具來呈現電路中電流是守恆的，對於十一年級學生，化學教師利用角色 扮演的方式教碰撞理論和解釋化學反應速率。
三、FAR 導引模式
Treagust, Harrison 與 Venville（1998）藉由分析五位教師來修 正 TWA 模式（Glynn et al., 1989），在教學後，由教師反思性意見和 學生理解的評估後，提出修正 TWA 模式忽略的兩個部分－課程計劃與課 後反思，並提出在教學前、中、後期更簡易的教學模式，應該分別注意 聚焦（Focus）、行動（Action）、反思（Reflection）三個面向，簡稱 FAR（如表 2-2-2）。
表 2-2-2 類比教學與學習的 FAR 導引 聚焦 概念
學生 類比物
很困難嗎、不熟悉、或抽象嗎？
學生已知概念的想法為何？
學生有哪些是熟悉的？
行動 相似
不相似
討論類比的特徵和科學概念。
討論類比物哪些地方和科學概念不相似。
反思 結論
改善
類比是清楚、有用或混淆的？
根據結果來重新聚焦。
FAR 導引建議使用的方式如下所述：
1.聚焦
在課堂呈現前，應注意學生對類比的熟悉度與類比物和目標物間的 相似和不相似處，是否學生已知一些目標概念的事物？學生是否熟悉類 比物？類比教學的聚焦發生在課程教學之前，並決定於教學環境。提供 學生的類比物和目標物之間不相似處，避免另有概念的發生。假如教師 考慮後發現類比無法發生功效，類比就不需在課程上嘗試。
2.行動
在課堂呈現類比時，教師應注意學生對於類比物的熟悉度與類比物 和目標物間的相似處和不相似處。為了達成這個目標，類比物和目標物 間的屬性必須調整，應明確指出相似處和不相似處。類比教學中的三個 步驟：(1)熟悉類比物、(2)對應共有屬性、(3)告知學生類比失效之處。
3.反思
在課程教學中或在教學之後，從清晰度、用處和結論考量類比教 學，與在課程中反思類比物、對應和教材位置的改進。
四、類比橋模式
Brown 與 Clement（1989）使用類比橋教學模式（Bridging Analogies Model），這個教學模式利用學生的直覺，經由仔細呈現出一連串的中間 類比物來幫助並引導學生思考，每一個類比建立在前一個類比之上並且 更加精緻化，直至學生達到欲學習的概念為止，如此可成功地幫助生瞭
解「書本靜止於桌上，桌子會施力於書本」的概念，相信“類比真的可 以豐富學生對於目標情境的概念……包括目標物的新物件、物件屬性和 因果關係，這是概念重建所必須的。”
Clement（1993）提出類比橋的教學模式如下：
(1)呈現錨類比（anchor analogy）。
(2)呈現目標物，並與錨類比物進行比較。
(3)提供類比橋，並輔以討論加強學生思考，以拉近錨類比和目標 物的差異。
(4)提供可以解釋現象機制的模式，讓目標物對學生更具意義。
這個策略的目的在於學生無法在錨和目標物間做合理的推理，經由 類比橋的模式，細分為許多步驟讓學生更易理解，並且增加有利直觀與 減少有害的直觀的運用。
Clement（1993）將類比橋的教學運用在整班教學中，發現學生明 顯在質和量上獲得良好理解。其中實驗組的學生，即使一開始無法看見 錨和目標互相類比，亦可以瞭解錨事件，學生並可提出更多的看法和產 生更多的類比橋和相關的問題。
Brown 與 Clement（1989）提出兩種類比橋模式教學可能失敗的原 因：(1)缺少巧妙運用空間心像的技巧（如解釋月相）；(2)和先備概念 的競爭（如看見桌子有剛硬的表面，而彈簧是可伸縮自如、並具有彈 力）；並且提出教學成功所需的四個重要情境：(1)學生必須擁有可利用 的錨概念。(2)假如學生無法看見錨和目標物互為類比，必須經由類比
橋的使用來明確發展其間的連結性。(3)類比物和目標物的連結過程，
最好在教學互動中完成。(4)必須幫助學生以新的方法來看目標概念，
如此科學概念會更加合理而易接受（Dagher, 1998）。
五、多重類比模式（Multiple Analogies Model）
Spiro, Feltovish, Coulson, & Anderson（1989）認為類比常會 過度簡化概念的複雜性－「簡化性偏差」。當教授複雜的目標概念時，
為了防止這種偏差，因此提出多重類比模式加以彌補。這個教學模式包 括有計劃性的和連續性的類比，每一個類比物建立於先前一個之上，以 連續精緻化的過程，提供一個自我更正的機制來降低產生非預期另有概 念的可能性。
Spiro 等人（1989）認為促進概念上的理解，增加的類比有以下八 種功能：
(1)（以新類比）補充（supplementation）：舊類比所遺漏的，以 新類比補充。
(2)（以新類比）校正（correction）：對舊類比的誤導在不改變舊 類比提供的正確資訊下，以新類比提供校正的功能。
(3)（原類比的）變更（alteration）：修正原類比不正確的成分。
(4)（原類比的）精進（enhancement）：精鍊原類比，在不改變原 類比的成分或擴大原類比下，克服原類比的表面相似性。
(5)擴大或精緻化（magnification or elaboration）：以尺度改變
強調來源類比，擴大有兩種方式：引介新類比以擴大舊類比、以不同尺 度保有舊類比。
(6)觀點的改變（perspective shift）：由不同的觀點引進新類比。
(7)競爭（competition）：在相同領域中有一個以上類比競爭，一 個類比取代其中被捨棄的競爭類比，一個類比只能獲得一個特定的角 色。
(8)序列的安排（sequential collocation）：過程中每個步驟呈現 一個類比。
模式中最重要的是卡榫式（interlocking）的多重類比的組合，因 為每一個類比目的是要更正前一個類比的負面部分（Spiro et al., 1989）。
類比橋與多重類比的差異在於選擇中介類比物的參考點不同，多重 類比中連續類比物的選擇決定於新類比是更正前一個的缺點為考量；然 而在類比橋（Brown & Clement, 1989）中，中介類比物的選擇則是以 學生的直觀為主要考量。
六、自發性類比模式（Student Self-Generated Analogies Model）
自發性類比模式（Student Self-Generated Analogies Model）
（Wong, 1993）首先呈現學生科學概念的主題和事件，然後要求他們產 生和修正對於現象的解釋，教師僅做為促進者的角色，其實施步驟如下：
(1)先由學生預測將發生的現象。
(2)要求學生解釋現象和評估他們的解釋，並且說出自己的感受，
以學生自己的知識和情境來定義自己的問題。
(3)要求學生創造出自己的類比作為工具來解釋現象。
(4)要求學生解釋如何運用類比來解釋自己預測。確認出「類比 X」
和「現象 Y」的相似性和差異。
(5)運用類比並加以評估之後，要求學生修正並產生新類比，重複 上述過程，創造一連串的類比和解釋。
上述過程，創造一連串的類比和解釋。
學習者導向的自發性類比推理有幾個重要的特徵：(1)缺乏組織和 不完整的先備知識來對於現象做推理，而不是既有的、並且發展良好的 基礎。(2)由學習者自己提出問題，而不是來自於外在。(3)將類比視為 概念成長的工具，而不僅是對於問題解決的一種解釋而已。(4)類比由 學習者自己產生，而不是來自於外在。
Wong（1993）分析口語資料，得知自發性類比在加速概念成長的角 色如下：
(1)自發性類比加速產生有發展性、有意義的問題。
(2)確認相似性的過程和類比和現象間的差異，促使學生檢驗理解 的表面性質和深層性質。
(3)類比使學生可從理解的基礎來解決問題。
(4)尋找類比讓現象覺得更熟悉，“熟悉度”使類比和更佳的瞭解 產生聯繫。
(5)類比誘發相關記憶。
(6)類比提供不同思考的角度。
(7)類比可激發來源到目標的承載（carryover），原先未受注意的 特徵經由類比凸顯出來。
七、故事類比模式
Dagher（1995）觀察教師實際教學所衍生出的故事類比模式
（Narrative Analogies Model），主要的特徵是利用動態的來源領域來 解釋許多目標領域的概念，類比是以說故事的形式來進行，其中主要成 分包括：選擇熟悉的領域、發展多重對應、探索連結的關係、建立學生 的直觀、和先備知識。
Dagher（1998）以下列五個步驟來發展故事性類比模式。
(1)主題中哪些概念是困難的，而必須經由熟悉的經驗來加以闡述 的？
(2)建構什麼的事件來創造並和主題連結的適當類比？那些事件是 否有足夠的彈性來提供目標概念的發展？
(3)類比呈現的順序如何和如何以問題清楚地表達？
(4)哪一種故事劇情在角色與目標概念間發展最好？
(5)類比故事是否增進或混淆概念的了解？
將類比物和來源物交織在故事中，平行發展這兩種領域知識的情 境，利用說故事的魅力來引起學生動機，主動建構類比和目標概念的連 結。
第三節 類比教學的效益及其限制
依照建構主義的觀點，學習過程必須找出新舊知識相似性的關係，
而類比的教學方式正是能有效幫助學習者，以既有的舊知識為基礎建構 出新的概念。Duit（1991）在研究中指出類比的功能大致分為以下五項：
1. 運用類比在概念改變的學習上，有助於產生新的觀念。
2. 藉由類比和真實世界的相似性，較容易理解抽象事物或原理。
3. 類比有助於使抽象事物具體化。
4. 類比有助於引起學生學習的動機。
5. 類比教學迫使教師注意到學生的舊有知識。
一、類比教學的效益
1. 類比能幫助瞭解新概念：類比可以幫助學生學習新概念，尤其是建 立抽象的概念和原則，類比是學生與抽象概念間一作溝通的橋樑 (Brown,1992;Clement,1989)。
2. 類比有助於概念改變。
3. 類比有助於新知識的建立。
4. 類比有助於問題的解決。
二、類比教學的限制
一劍雙刃，類比就如同那雙刃劍，可成就學習亦可誤導學習（Glynn 等,1989），所以類比物和目標物的選擇必須格外謹慎。Gentner 與 Gentner（1983）使用類比教學以解釋電流（水流或人潮），期待學生會 建立和概念模式相同的心智模式，然而卻不如預期。類比雖有助於科學 的學習與概念改變，但是在許多類比教學和學習的實證研究中，卻常常 不盡人意，亦常常產生非預期的結果。以下將探討影響類比學習的因素。
1.誤解使用類比的目的
Duit（1991）認為類比教學失敗的原因來自於學生不了解類比，和 無法推論類比的意圖。Flick（1991）從對學生晤談中得知，特別是在 類比太遙遠和學生無法區分出想要學習的內容時，類比教學會失敗，甚 至有些學生只記得類比卻不記得學習內容，有些聚焦在類比的其他部分 而作出錯誤的結論，而引起另有概念。類比亦會因誤解類比和目標物之 間的關係而傷害學習，倘若學生不熟悉類比，則會阻礙學生系統性理解 上的發展（Treagust, Harrison, & Venville, 1998）。
2.類比的表面性和結構性
許多學生無法了解類比運作有兩種層次：第一、簡單表面上的對應 或敘述性的類比，即類比物與目標物間具有一個或多個表面屬性一致，
但是真正的類比其應享有表面性和高階的因果關係（Gentner, 1983）。 在類比物和目標物之系統相似性可推論出目標物的功能性關係，即能從 類比物將其解釋性結構遷移至目標物。表面的屬性可以增進類比的認
識、理解性和回憶而僅有助於知識小幅成長，而真正類比的系統性對 應，則能促進更深的理解，但是卻不易被生手所運用。若表面的相似性 是學生使用類比的可能開端，從類比物到目標物間關係的系統性對應遷 移的過程技能知識，則因學生無法認識類比的解釋和關係的能力，而因 此經常錯過類比，對於教師而言，這是運用系統性的方法來類比教學的 最主要原因（Treagust, Harrison, & Venville, 1998）。
Gentner（1988）發現孩童使用類比的方式與成人不同，五歲左右 的孩童較易以物件的表面特徵做對應，而年紀較大的孩童或成年人則較 易以物件的關係做對應。Gentner（1989）指出類比的對應不需表面相 似性的支持，但是對於生手和孩童而言，類比對應成功與否仍決定於其 表面相似性，並且進一步指出這些表面相似性會導致錯誤推論。Flick
（1991）利用類比來教學是一般教學策略，但是教師必須分析學生的自 發的和直觀的類比。
Gentner（1989）指出類比教材的清晰度和系統性會影響遷移的正 確性，當類比物和目標物間一對一的關係越多，則清晰度越高，系統性 所指的是類比物的高階關係類推至目標物的能力；並經由實證研究指出 教材的清晰度會影響 4 至 10 歲孩童的類比遷移，但是教材的系統性的 差異僅會影響年紀較長的孩童，對於年紀較小的孩童影響程度較小，因 為年紀較小的孩童根本無法看出系統性的關係結構。
3.類比本身的限制
張瓊等人（1994）從科學理論建構向度，指出類比具有兩個顯著的
特徵：第一個是類比所要求的前提條件在推理上是最少的，即兩個知識 系統之間任何一點相似都可以成為推理的條件；第二個是類比的或然 性，即類比的前提真實無法保證結論真實，類比物和目標物之間不僅有 某些特徵是共有的，也必然存在一些性質是它們各自獨有的，假如我們 將類比物獨有的屬性類推至目標物，就會產生錯誤的結論。在類比物和 目標物間的不共有的屬性是造成學習者另有概念產生的原因，但是實際 上亦不存在類比物會享有和目標物相同一致的屬性（Treagust,
Harrison, & Venville, 1998）。
Gentner（1983）提出結構對應理論，對於類比推理之於概念成長 提出解釋，當建構類比時，同時產生來源物到目標物間的相似性和關 係，而且當類比被建立起來後，會推論出一些原本不明顯的相似性，舉 例來說，建構太陽與原子的類比的過程，可能會連接出在電子和原子核 間存在萬有引力，如同行星和太陽間的情形一樣。這些特徵類比會呈現 出新知識的正確或不正確的推論（Wong, 1993）。
Spiro, Feltovich, Coulson,和 Anderson（1989）檢驗大學生對 於解釋生物現象類比的使用會造成另有概念，學生也常會過度推論類 比，而造成不正確的解釋，因此主張多重類比的教學可以來彌補單一類 比的缺點。而國內林靜雯（2000）曾以多重類比來教授國小四年級有關 電路和電流的概念，結果顯示互補型的多重類比教學有助於概念學習，
亦可從實證研究來加以驗證之。
4.先備知識和經驗的影響
Stavy（1990）從皮亞傑角度陳述“知識的擴展藉由類比來造成遷 移，加速輸入正確知識的知覺到輸入無知覺的相似事件”，類比的選 擇、遷移或對應在無意識中或直覺下被過去的經驗深深影響著。
5.學生認知思考能力的差異
類比教學雖有助於具體操作期的學生，但是假如學生缺乏心像能 力、類比推理能力將會受到影響（Gabel & Sherwood, 1980；Treagust, Harrison, & Venville, 1998），因為許多科學課程中科學概念需要形 式思考能力，類比是一種讓具體思考的學生能夠獲得形式概念的一種方 法，而其中包含著相互作用關係的思考，因此具體操作期的學生可能無 法將類比物連結到新概念（Gabel & Sherwood, 1980）。而有些在形式 操作期的學生，對於目標物已有相當的理解，當類比的介入則會增加一 些不必要的干擾（Johnstone & Al-Naeme, 1991；Treagust, Harrison,
& Venville, 1998），可能會因為這些原因而放棄使用類比。
國內郭人仲（1994）實證研究類比對於國中生學習生物概念的影 響，結果指出類比對於學習具有正向的影響，其中發現類比對於形式操 作期與具體操作期的學生有顯著的成效，至是對於過渡期的學生則無顯 著的成效。
Goodstein 與 Howe（1978）和 Kulm（1977）指出類比的模式對於 形式思考的學生比起具體思考的學生更加有效率，然而另外有些學者卻 認為兩種學生應該具有相同的成效（Gabel & Sherwood, 1980）。
Gabel 與 Sherwood（1980）實證研究指出認知發展較低的學生使用 類比教學有助於學習成效；而認知能力較高的學生，能夠從外加的練習 作業比類比中會學得更多。其中原因是這些學生已經能夠進行形式思 考，而不需這些來讓形式概念具體化，並進一步指出阻礙類比成功的理 由，其中有 48％的學生是因為不瞭解類比已經被使用，倘若學生有意 願和能力要以類比來學習，學習成效大多是正面的。
綜合上述文獻得知，類比物本身的限制和學生無法理解教材的內容 和意圖、學生無法知覺類比的表面相似性和結構相似性，學生的先備知 識和認知思考能力等等都會影響類比學習的成功與否。
第四節 化學平衡的相關研究
Finley、Stewart 和 Yarroch（1982）指出在化學領域中有四個主 題是學生在學習時感到困難的，這四個主題分別是化學平衡、莫耳數、
化學計量和氧化還原反應，而其中化學平衡是學生認為最困難的主題。
學生學習化學平衡為何會非常的困難，Huddle 和 Pillay（1996）認為 有兩個原因：1.化學平衡包含了許多抽象的概念；2.科學與日常生活上 的名詞及用語常代表不同的意義。而 Qui’lez-Pardo 和
Solaz-Portole’s（1995）則認為學生對化學平衡有許多的誤解，學生 不知如何運用平衡的原理、原則，且不能將這些原理轉換到新的或不熟 悉的情境，這是學生在學習化學平衡時會覺得非常困難的主要原因。然 而化學平衡是學生瞭解其它化學概念（如酸鹼反應、氧化還原和溶解度 積等）的基礎，所以學生如果能夠清楚的瞭解化學平衡的相關概念，將 有助於學生瞭解其它重要的化學概念。
同樣的，對高中化學老師來說，在高中化學課程裡，教化學平衡和 熱力學一直是很大的挑戰，因為學生會面臨非常多抽象且困難的概念
（Banerjee, 1995）。因此有許多學者曾針對化學平衡概念進行研究，
這些研究有些是針對化學平衡的概念進行分析，有些是設計更好的教學 方法來矯正學生的迷思概念，以提供老師在進行教學時可以作為參考。
一、化學平衡的迷思概念探討
相關研究很多，現將國內外學者在化學平衡的迷思概念研究，整理 歸類如下：
（一）化學平衡的特性
化學平衡的特性是針對化學平衡的本質之相關概念加以探討，包含 質量與濃度、反應系統、能量、巨觀與微觀等概念；其迷思概念分列如 下：
1. 質量對濃度:無法區分質量與濃度的概念(Wheeler & Kass,1974)。
2. 固定的濃度:在一特定化學反應中,無法察覺某些物種保持一定濃度, 反應物與產物在平衡狀態時,二者濃度間存在的數學關係式,例如:
認為達平衡時,產物濃度等於反應物的濃度(Wheeler & Kass, 1974;
Johnstone et al.,1977;Gage,1986;蔡玟錦,1992)。
3. 左邊與右邊(left and right sideness):學生認為化學平衡方程式 的兩邊為不相關聯的個體,換言之,他們認為可以對平衡系統的單一 邊進行溫度､壓力的改變,或是認為反應的任何一邊都是分開的物理 本體,所以可以分開操弄(Johnstone et al., 1977;Gorodetsky &
Gussarsky,1986; Garnett & Hackling at al.,1995)。
4. 化學平衡為動平衡(dynamic equilibrium),學生在學習此概念之前, 已經接觸了物理平衡(physical equilibrium),而物理平衡屬於靜平
衡(static equilibrium);教師在教學中並未解釋二者的差異,所以 學生自動將化學平衡視為靜平衡,認為二個靜態獨立系統,根本不了 解化學動態的本質(化學平衡不是動態的過程),認為化學反應會停 止,也認為是因為反應物用完所以化學反應停止,因此沒有動平衡的 概念,認為沒有變化(Johnstone et al., 1977; Garnett & Hackling at al.,1995;邱美虹等,1999;劉嘉茹,2000；Chiu, Chou, & Liu, 2002)。
5. 在莫耳數與濃度間發生混淆(Bergquist & Heikkinen,1990)。
6. 學生對反應的原有經驗為反應是單方向的,必定完全由反應物變成 產物,此經驗影響了平衡反應的概念;許多學生甚至不能清楚區分完 全反應(completion reactions)與可逆反應(reversible reactions) 的不同特性(Wheeler & Kass,1978; Hackling & Garnett,1995)。
7. 相信正反應會在逆反應開始前結束（Wheeler & Kass,1978;Garnett
& Hackling at al.,1995; Chiu, Chou, & Liu,2002）。
8. 不清楚微觀與巨觀間相異之處（邱美虹等，1999；劉嘉茹,2000）。
（二）反應速率:
在國內外相關研究曾指出：高中生和大學生都會認為平衡向右移 動，則正反應速率變大，逆反應速率變小，若平衡向左則反之；因此反
應速率對學生而言，是容易產生迷失概念的部份，茲整理文獻研究，分 列如下：
1. 速率對程度:無法區分反應進行的多快(速率),及反應進行到什麼程 度,二者的差異無法判斷;不會區分反應的速率和完成程度(Wheeler
& Kass,1974,1978)。
2. 當一系統達平衡時,若狀態改變,則與平衡移動方向同向者速度增快, 而逆向者速率減慢,學生認為正反應與逆反應是獨立的,例如:當溫 度上升時,吸熱反應方向的速率增快,而放熱反應方向的速率減慢 (Johnstone et al., 1977; Hackling & Garnett,1985;林宏一,1990;
高紹源,1996)。
3. 反應物一混合,正反速率會隨時間增加至平衡建立(Hackling &
Garnett,1985)。
4. 正反應速率增加就如同正反應正在進行 (Garnett & Hackling et al.,1995)。
5. 正反應速率永遠與逆反應速率相等(Garnett & Hackling et al.,1995)。
6. 正逆反應速率相等不是平衡的條件(蔡玟錦,1992) 。
9. 不了解化學平衡時速率特質,認為化學平衡時,速率為零(邱美 虹,1999;劉嘉茹,2000)。
10. 學生認為反應進行的越快,平衡越會傾向能產生更多產物的方向移 動(連啟瑞,1995)。
（三）平衡常數的固定性:
平衡常數數值的大小可做為平衡位置的指示，平衡常數表示法中各 濃度的指數與反應方程式的係數有關，這是學生容易忽視的觀念，因此 常對平衡常數產生迷失概念，茲分列如下：
1. 無法確定在某狀況下, 平衡常數是否為一定值 (Wheeler &
Kass,1978)。
2. 不能判斷化學平衡常數何時､如何改變;學生的可能迷思概念多發生 在濃度和溫度改變的狀況下(Gorodetsky & Gussarsky,1986)。
3. 平衡常數的表示錯誤(Qui’lez & Solaz,1995)。
4. 平衡系統其中一個組成濃度改變,K 值變跟著改變;另當氣態平衡系 統的體積改變, K 值變跟著改變; K 值與溫度無關(Garnett &
Hackling et al.,1995)。
5. 平衡常數數值的大小,無法做平衡位置的指示(蔡玟錦,1992)。
6. 正反應速率與逆反應速率的比值等於平衡常數(蔡玟錦,1992)。
（四）催化劑的作用
學生對催化劑只能改變反應速率且催化劑本身反應後量並不改變 的認知，常有誤解而產生相關的迷思概念，分列如下：
1.催化劑不影響逆反應速率：催化劑減慢逆反應速率；加入催化劑 可促使平衡移動（Johnstone et al., 1977）。
2.不瞭解催化劑在化學系統的影響，即催化劑影響反應速率，但不
影響平衡。
此外，學生會誤以為催化劑可造成較高的產量（Johnstone et al., 1977； Gorodetsky & Gussarsky，1986）。
3.催化劑不會影響平衡常數的大小，是因為催化劑並未改變反應物 種的濃度（蔡玟錦，1992）。
4.催化劑與反應物所形成的新活化錯合物之位能可能提高，也可能 降低（蔡玟錦，1992）。
5.催化劑不影響活化錯合物的位能（蔡玟錦，1992）。
（五）影響化學平衡的因素
濃度、體積（壓力）或溫度的改變對平衡的影響，學生易將平衡移 動的方向判斷錯誤，且常無法考慮到可能影響平衡狀態的因素，因此常 產生迷思概念，茲分列如下：
1.競爭平衡（competing equilibria）：無法考慮所有可能影響平 衡狀態的因素（Wheeler & Kass, 1978）。
2.影響化學平衡狀態的因素：（蔡玟錦，1992）。
(1)溫度下降，放熱反應方向的速率增加，而吸熱反應方向的速率 減慢。
(2)溫度下降，平衡趨向吸熱方向。
(3)溫度一定時，體積改變並不影響正、逆反應速率。
(4)體積改變不影響氣態反應物種的量。
(5)溫度一定時，濃度改變並不影響正、逆反應速率。
3.濃度改變對化學平衡的影響：（高紹源，1996）
(1)與平衡方向同向的反應速率增加，逆向的速率降低。
(2)平衡進行的過程是一步一步進行的。
(3)反應前後，生成物與反應物的濃度都不變。
4.壓力改變對化學平衡的影響：（高紹源，1996）
(1)當平衡系的反應物和生成物的總莫耳數相同時，加壓前和加壓 後，反應物和生成物的平衡濃度不會改變；
(2)反應前後，濃度不變，而且反應是一步一步進行的；
(3)學生認為正、逆反速率相等，反應物與生成物莫耳數總和相同，
所以平衡後的濃度相等。
5.溫度改變對化學平衡的影響：（高紹源，1996）
(1)不懂課文中溫度改變對化學平衡影響的意義。
(2)把溫度視為直接參與反應的因素。
(3)受 Kc 數學表示式的影響。
（六）平衡的移動
當化學平衡受外來因素影響時造成平衡移動，學生試著以勒沙特列 原理來解釋反應速率，而混淆了反應速率和反應程度的意義，因此學生 無法澄清平衡移動的概念而產生迷思，茲分列如下：
1.不能判別系統是否達化學平衡及區分達化學平衡和未達化學平
衡的差異（Gorodetsky & Gussarsky, 1986）。 2.平衡的移動的影響：（林宏一，1990）
(1)加入一大氣壓氖氣時，因為體積不變，所以系統壓力增加，根 據勒沙特列原理，平衡應向係數較小的一方移動。
(2)只考慮到變因對單一物種的影響，便據以判斷平衡移動的方向。
(3)系統體積壓縮一半，平衡向較穩定的方向移動，亦即向係數較 小的一方移動。
(4)降低溫度，平衡向能量較小的方向移動，亦即向吸熱方向移動。
3.學生並不瞭解當兩氣體的係數和相等時，改變系統的壓力或體積 時，平衡並不會移動（洪瑞英，1998）。
4.學生不瞭解微觀的可逆過程是一直不斷的進行（連啟瑞，1995）。
二、類比與動態平衡的相關研究
學生需要以既存的知識結構來學習新知，而且使用具體的例子較為 容易融入現有的知識系統中，因此類比的使用便於使學生解釋抽象的概 念，類比在科學教育之中已經不是新的議題了。類比可以使用口頭的方 式表達，也可能是透過圖片、肢體的動作、模擬的實驗或者電腦的輔助
（Huddle,White & Rogers,2000）。關於文獻中動態平衡的類比整理如下：
1.水流類比
在許多研究中皆以「水流動」的類比來敎授化學平衡的概念
（e.g.Johnstone,MacDold,&Webb,1977）。以左右兩個容器的水流動，來 形容化學反應正逆反應的方向，當右側水量較多時，則向左流動，反之 則反，水流是雙向的；而且可以用此類比當加入反應物時，反應向右趨 向於新的平衡，就如同當左側加入水時，水向右流動，達到新的平衡。
圖 2-4-1 水流類比
22.「.「蹺蹺蹺蹺板板」」類類比比//「天「天平平」」類類比比
「「蹺蹺蹺蹺板板」」、、「天「天平平」」（Johnstone,MacDold,&Webb,1977）（ ）的的類類比比，， 其實其實和和水水流流類類比比有有些些相相近近之之處處，，當當天天平平左左側側較較重重時時，，則必則必須須把把一一些些物物體體 移
移至至右右側側才才會會平平衡衡，，類類比比於於當當加加入入反反應應物物，，必須必須向向正正方方向向進進行行反反應應才才會會 到
到達達平平衡衡。。
圖圖2-2-4-4-2 2 天平天平類類比比
33.蜂.蜂窩窩類類比比
蜂蜂窩窩的的類類比比（O（Ollneney,y,19198888））為當為當早早晨晨時時蜂蜂窩窩中中有有較較多多的的蜜蜜蜂蜂離離開開蜂蜂 窩，窩，較較少少的的蜜蜜蜂蜂回回到到窩窩中中，，中中午午時時，，離離開開蜂蜂窩窩的的蜜蜜蜂蜂數數與與回回來來的的蜜蜜蜂蜂數數 漸趨漸趨一一致致，，而而至至下下午午，，大大部部分分的的蜜蜜蜂蜂皆皆回回蜂蜂窩窩了了。。
圖圖2-2-4-4-3 3 蜂窩蜂窩類類比比
44.雙.雙邊邊丟丟球球
「「雙雙邊邊丟丟球球」」（Johnstone,MacDold,& Webb,1977；Carson , 1999）（ ），， 兩邊兩邊皆皆可可以以向向對對方方丟丟球球，，而而且且當當左左側側的的球球較較多多時時，，則可則可以以有有較較多多的的球球丟丟 向右向右側側，，逐逐漸漸到到達達兩兩側側的的球球數數相相近近，，就就像像是是到到達達動動態態平平衡衡。。
圖圖2-2-4-4-4 4 雙邊雙邊丟丟球球類類比比
相相似似地地，，「雙「雙面面卡卡片片遊遊戲戲」」（Penelope, Margie,2000）（ ），是，是左左邊邊的的遊遊 戲者戲者持持正正面面卡卡片片，，右右邊邊的的遊遊戲戲者者持持背背面面卡卡片片，，兩邊兩邊的的人人互互相相翻翻卡卡片片給給對對 邊的邊的人人，，而而且且當當左左邊邊的的卡卡片片較較多多時時，，則則可可以以有有較較多多的的卡卡片片翻翻面面給給右右側側，， 最後最後逐逐漸漸到到達達兩兩側側的的卡卡片片數數相相近近，，而而達達到到動動態態平平衡衡的的狀狀態態。。
55.百.百貨貨公公司司眼眼鏡鏡部部門門試試戴戴眼眼鏡鏡
「「百百貨貨公公司司眼眼鏡鏡部部門門」」的的類類比比（（MMccccoyoy,1,199996）6），粒，粒子子會會結結合合也也會會分分 離，離，就就像像人人可可以以試試戴戴眼眼鏡鏡，，也也可可以以脫脫下下眼眼鏡鏡，，然然後後再再配配戴戴其其他他的的眼眼鏡鏡。。 而當而當反反應應物物增增加加時時，，產產物物也也會會增增加加，，所所以以當當客客人人越越來來越越多多時時，，那那麼麼試試戴戴 眼鏡眼鏡的的人人數數也也會會增增多多。。
66.舞.舞會會
「「舞舞會會」」（Johnstone,MacDold,&Webb,1977；O（ Olnlneyey,,19198888））的類的類比比，， 在舞在舞會會現現場場中中，，有有一一個個休休息息區區，，而而這這是是一一個個雙雙人人舞舞會會，，進進入入舞舞會會必必須須是是 一對一對一一對對的的人人才才可可以以跳跳舞舞，，若若有有8800個男個男孩孩，，6600個女個女孩孩，，而而且且這這個個舞舞臺臺 可
可以以容容下下4545 對的對的舞舞者者，，所所以以台台上上會會維維持持 4545 對的對的舞舞者者，，也就也就是是這這個個時時候候 就
就達達到到動動平平衡衡了了。。
第五節 高中化學課程相關教材分析
高中八十九年實施的課程標準大綱明定，在高一課程中僅牽涉莫耳 的計算，無動平衡概念在其中。高二課程安排反應速率、碰撞學說為第 一部份，於高三教材再進一步加入平衡常數、勒沙特略原理和平衡概念 的應用為第二部份。今將各教材的課程標準列於下列各表中。
由研究者多年教學經驗及下表的課程標準可以看出，化學平衡的內 容在國中理化必修教材是極少的，而選修教材雖然有較多的描述，但事 實上選修教材不是學測出題範圍，在國中教學中大多是不教的。因此學 生升至高一仍會缺乏化學平衡的概念，只流於一些定理定律的應用與化 學計量的層次。到高二只強調了正反應速率的計算與觀察，說明了影響 反應速率的因素，仍然不著墨去說明反應發生的狀況與微觀理論也甚少 提及之逆反應的發生。到了高三則是切入平衡常數的計算與勒沙特略原 理的應用，有關動平衡的基本概念之建立還是缺乏的。在學習過程中，
只有充滿著巨觀的現象與計算，而微觀世界中粒子反應的原理原則則是 付之闕如。
一、課程標準
（1）國民中學理化課程標準
主題 主要內容 說明
1.粒子概念 讓學生了解物質是由粒子所組成的概念 2.物質的變化 1.設計實驗以觀察：
(1)物質三態的變化 (2)產生沉澱的反應 (3)顏色變化
(4)溫度變化（如吸熱、放熱現象）
2.利用上述實驗測量反應前後物質質 量，由實驗過程中了解物質組成一定，及 反應前後質量守恆。
物質的 粒子世 界
3.元素符號及化學 式
3.了解化學式意義，不強調化學式之記 憶。
4.教材中出現新物質時盡可能附上化學 式。
化學變化 以實驗說明反應物與生成物的概念，並簡 介化學反應的快慢。
活性 1.介紹日常生活上幾種常見之金屬或非 金屬的活性比較。
2.由實驗中了解反應難易與元素的活性 有關，不要排列記憶順序（實驗中至少函 一種燃燒實驗，並簡介氧化反應。）
化學反 應
化學方程式 由已知實驗說明：
(1)方程式是用以表達實驗結果。
(2)方程式中係數的意義（不提離子方程 式，不做任何形式的計算。）
（2）國民中學選修科目理化課程標準 主題 主要內
容
說明 必修相關內 容
備註 元素與
化合物
莫耳 1.定義莫耳 2.莫耳與質量及粒子 數之相互關係
以實驗說明 反應物與生 成物的概念 化學反
應中粒 子現象
1.說明化學反應時，
反應物需經互相碰 撞，使原子重新排 列，而生成新物質。.
2.設計模型，讓學生 親手操作，簡單的說 明化學反應。
3.以原子的概念說明 質量守恆。
選修教材以粒子 的觀點，對化學 反應作定性及定 量的敘述；必修 教材僅以實驗觀 察的結果，說明 化學反應。
化學反 應
化學反 應方程 式
設計實驗，探討反應 物與生成物之間量的 關係：
(1)以平衡後反應物 與生成物的莫耳數關 係，作簡易計算。
(2)說明化學反應 後，原子之種類與數 目不變。
由已知實驗 說明
(1)方程式是 用以表達實 驗結果。
(2)方程式中 係數的意義
（不提離子 方程式）。
